Cálculos hidrológicos e hidráulicos para obras municipais
Capitulo 85- Método de Denver ou CUHP
Eng Plínio Tomaz 13/01/2014
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Capítulo 85
Método de Denver ou CUHP
85-1
Cálculos hidrológicos e hidráulicos para obras municipais
Capitulo 85- Método de Denver ou CUHP
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Capítulo 85- Método de Denver ou CUHP
85.1- Introdução
O método de Denver foi feito primeiramente em janeiro de 1978 e depois atualizado
em 1983.
Rubem Porto no livro de Drenagem Urbana Tucci et al 1995 p. 154 detalhe e
aconselha o Método Colorado Urban Hydrograph Procedure (CUHP) conhecido também
como Método de Denver, que foi descrito em detalhes em 1992 no Manual de Drenagem
Urbana de Denver no Colorado, Estados Unidos.
O método de Denver também foi explicado no livro da CETESB, 1986 denominado
Drenagem urbana-manual de projeto.
O manual de Denver recomenda que a area minima a ser aplicado o Metodo de
Denver seja de 0,38 Km2. O manual de Denver recomenda que deve ser calculado
somente um hidrograma unitario quando a area for de 13 Km2. Quando a área da bacia
for maior que 13 Km2 deverá a mesma ser subdividida em tamanhos menores que 13
Km2.
Outra observação é que as pesquisas feitas na area Metropolitana de Denver
foram com declividade dos talvegue que variam de S=0,005 m/m a 0,037 m/m, devendose tomar cuidado com extrapolar tais valores conforme recomendado no Manual de
Denver.
O método de Denver é uma adaptação do Método de Snyder para o Estado do
Colorado nos Estados Unidos, mas é usado em outros locais e tem como resultado um
diagrama unitário para runoff de 1cm.
Uma recomendação importante é que o Método de Denver ou CUHP deve ser aplicado
a áreas urbanas.
Dica: o método de Denver ou CUHP é para áreas urbanas.
No Manual de Denver é usado para infiltração o Mètodo de Horton, mas usaremos o
método do número da Curva CN do SCS.
Devemos lembrar que pelo método de Denver ou CUHP temos um hidrograma
unitário e para se achar o hidrograma final de vazões temos que fazer a convolução usando
para chuva excedente em cm aquela obtida pelo número da curva CN. Nâo esquecer que os
intervalos de tempo obtido no diagrama unitário de Denver com as chuvas excedentes deve
ser igual.
No caso de várias bacias podemos fazer a adição e translação de hidrogramas ou usar o
método de Muskingum-Cunge onde já teremos uma translação das vazões de pico.
Andrade et al, 2001 aplicou o Método de Denver em área urbana do arroio Olarias
situado no Municipio de Ponta Grossa no Estado do Paraná e como eram varias bacias
conforme Figura (85.1) o estudo de propagação foi utilizado o Método de MuskingumCunge para a obtenção do hidrograma de enchente.
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Figura 85.1- Esquema das subbacias estudadas por Andrade,et al, 2001 do Arroio
Olarias em Ponta Grossa.
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Figura 85.2- Discretização das bacias do East Toll Gate Creek de Arapahoe
County, Colocado. Fonte: Dankengring et al, 2009.
Na Figura (85.2) está a discretização das bacias formando seis subbacias e
se pode ver o centro de cada uma.Os estudos foram feitos para a situal atual e
para a situação futura com areas impermeaveis da ordem de 40%.
O interessante no estudo de Dankengring et al, 2009 é que com as 6
discretização houve um aumento de vazão de 32% se fosse considerado uma só
bacia. O interessante é que é citado estudo de Guo e Urbonas, 2008 em que
ambos afirmam “ o nivel de discretização pode causar aumento artificial da
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vazão de pico no ponto a ser considerado. Quanto menores forem as subbacias,
maior será o pico de vazão acumulado do runoff no ponto de controle.”
Dica: quanto mais bacia for subdividido maior será o pico da vazão.
Figura 85.3- Correlação entre a porcentagem impermeavel e o efeito da
discretização. Fonte: Dankenbring et al, 2009
Na Figura (85.3) podemos notar para área impermeável de 40% que é o
caso citado por Dankenbring et al, 2009 o efeito de discretização é de aumento
de 32% na vazão de pico.
Não temos nenhuma recomendação quanto ao número de discretização a
ser feita, mas na pré-desenvolvimento quando a área impermeável é muito
baixa, isto é, 2% o pico da discretização aumenta consideravelmente, o que vem
a confirmar que o Método de Denver é para ser aplicado a áreas urbanas.
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85.2 Tempo de pico tp
Para o tempo de pico tp, o método Colorado aconselha a Equação (85.1) conforme
Diretrizes Básica para Projetos de Drenagem Urbana no município de Saio Paulo, 1998 p.71
usa-se a seguinte Equação (85.1) que é recomendada no CUHP 2005 User Manual de Denver,
março de 2008.
O valor de tp (h) original do CUHP2005 sendo as distancias em milhas e S (ft/ft) é:
tp= Ct [ L. Lcg / S 0,5] 0,48
Observemos que o expoente é 0,48.
Como usaremos L e Lcg em Km teremos:
tp= 0,637 . Ct [ L. Lcg / S 0,5] 0,48
(Equação 85.1)
Sendo:
tp= tempo de retardamento do hidrograma unitário medido do centro da chuva unitária até o
pico do hidrograma (horas);
L= comprimento do talvegue da bacia desde as nascentes até a seção de controle (km);
Lcg= comprimento que vai desde o centro de gravidade da bacia até a seção de controle,
acompanhando o talvegue (km);
S= média ponderada das declividades do talvegue (m/m) conforme Equação (85.3).
Ct= coeficiente que está relacionado com a porcentagem de impermeabilização da bacia
conforme Figura (85.2).
0,637= para acertos das unidades.
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Figura 85.4- Observar o valor de tp
Tempo de concentração e tempo de retardo
O SCS diz-se que
tp= 0,6 . tc
(Equação 85.2)
Conforme SCS o valor de tp= 0,6 . tc podemos achar o tempo de concentração após
acharmos o valor de tp. Na prática obtém-se pelo método cinemático um valor melhor do
tempo de concentração tc e depois se multiplicando por 0,6 obtém-se o valor de tp.
85.3 Cálculo de P, Ct
O parâmetro de pico P pode ser tirado da Figura (85.1) ou calculado usando a Tabela
(85.1) em em função da área impermeável em porcentagem.
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Figura 85.5- Determinação do fator de Pico P em função da área impermeável em porcentagem
Tabela 85.1- Valores de a, b, c, d, e , f devido a área impermeável
áArea
impermeável
a
b
c
d
e
(%) p
p≤ 10
0,0
-0,00371
0,163
0,00245
-0,012
10 ≤p≤ 40
0,000023
-0,00224
0,146
0,00245
-0,012
0,0000033
-0,000801
0,120
-0,00091
0,228
p≥40
Fonte: Nicklow et al, 2006
P= d.p2 + e.p + f
85-8
f
2,16
2,16
-2,06
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Exemplo 85.1
Dada a area impermeável de 44% achar o fator de pico P.
P= d.p2 + e.p + f
P= -0,00091x442 + 0,228x 44 -2,06= 6,21
Podemos calcular também o valor de Ct consultando a Figura (85.2)
ou utilizando a equação:
Ct= a.p2 + bp + c
Exemplo 85.2
Dada a área impermeável de 44% achar o valor Ct.
Ct= a.p2 + bp + c
Ct= 0,0000033x442 -0,000801x44+ 0,120=0,091
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Figura 85.6- Determinação de Ct em função da área impermeável em porcentagem
Declividade: S
S= [ (L1 . S1 0,24 + L2 . S2 0,24 +...) / ( L1 +L2 + ....) ] 4,17
(Equação 85.3)
Exemplo 85.2- Achar a declividade média ponderada com L1= 0,50km L2= 1km e L3=
1,5km e S1= 0,007m/m S2= 0,005m/m e S3= 0,0019 m/m.
Usando a Equação (85.3) temos:
S= [ (L1 . S1 0,24 + L2 . S2 0,24 +...) / ( L1 +L2 + ....) ] 4,17
S= [ (0,5 . 0,007 0,24 + 1,00 . 0,005 0,24 +.1,50. 0,0019 0,24..) / ( 0,50 +1,00 +1,50) ] 4,17
S=0,0533m/m
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Exemplo 85.3 – Baseado no livro de Drenagem Urbana.
Determinar o hidrograma unitário de uma bacia urbana com as seguintes caracteristicas:
A=0,98 Km2
Comprimento do talvegue= L=2,06km Distancia do centro de gravidade =Lcg= 0,84km,
Declividade do talvegue =S=0,102 m/m e Área impermeável Ia = 44%.
Podemos calcular também o valor de Ct:
Ct= a.p2 + bp + c
Ct= 0,0000033x442 -0,000801x44 + 0,12 =0,091
Tempo de retardo (tp)
tp= 0,637 . Ct [ L. Lcg / S 0,5] 0,48
tp= 0,637 . 0,091 [ 2,06 x 0,84 / 0,102 0,5] 0,48
tp= 0,13 h = 7,8 min
Nota: no livro pois nas mudanças de unidades o valor correto é 0,637 e não
6,637.
Duração da chuva unitária
D= tp/3= 0,13/3=0,0433 h=2,6 min. Adoto D=2,5min
Fator de Pico P
P= d.p2 + e.p + f
P= -0,00091x442 + 0,228x 44 -2,06= 6,21
Determinação de Cp
Cp = 0,867 . P . Ct . A 0,15
Cp = 0,867 . 6,21 . 0,091 . 0,98 0,15
Cp= 0,49
Tempo de ascensão ta
Tempo de ascensão é o tempo de inicio da chuva de duração unitária D até o pico do
hidrograma:
ta = tp + D/2
(Equação 85.5)
ta= 7,8 +2,5/2= 9,05 min
Vazão de pico do hidrograma unitário por unidade de área da bacia qp (m3/s x km2).
A vazão de pico é dada pela Equação (85.6).
qp = 2,75 . Cp / tp
(Equação 85.6)
Sendo:
Cp = coeficiente relacionado com a capacidade de armazenamento da bacia fornecido
conforme Figura (85.1) obtido em função da área impermeável.
O valor de Cp é obtido pela Equação (85.7).
Cp = 0,867 . P . Ct . A 0,15
(Equação 85.7)
Cp = 0,867 . P . Ct . A 0,15
Cp = 0,867 . 6,21 .0,091 . 0,98 0,15 = 0,49
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qp = 2,75 . Cp/ tp = 2,75 . 0,49/ 0,13 = 10,37 m3/s . km2
Vazão de pico do hidrograma unitário
A vazão de pico do hidrograma unitário Qp é obtido usando a Equação (85.8).
Qp= qp . A
(Equação 85.8)
Sendo:
Qp= vazão de pico do hidrograma unitário (m3/s);
qp= vazão de pico do hidrograma unitário por unidade de área da bacia (m3/s x km2) e
A= área da bacia (km2).
Qp= qp . A = 10,37 . 0,98 = 10,16m3/s
Hidrograma unitário do CUHP
Figura 85.7- Hidrograma unitário do Método de Denver (Colorado Urban Hydrograph ProcedureCUHP2005)
Para se montar um hidrograma conforme recomendações do CUHP tempos que
calcular W50% e W75%, corresponde respectivamente ao tempo dentro da curva de 50% e
75% da vazão de pico.
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W50% = 2,15/ qp
(h)
(Equação 85.9)
W75% = 1,12/ qp
(h)
(Equação 85.10)
Usando as Equações (85.9) e (85.10) temos:
W50% = (2,15/ qp) x 60 = (2,15/ 10,37) x 60 = 12,44min
W75% = (1,12/ qp )x 60 = (1,12 / 10,37) x 60 = 6,48min
.Para distribuir os valore W50% e W75% os mesmos são distribuídos da seguinte
maneira:
m=0,35. W50% a esquerda da vazão de pico e
para a direita da vazão de pico teremos n=0,65. W50%.
Para W75% teremos:
m=0,45 . W75% a esquerda da vazão de pico e n= 0,55 . W75%
Para W50% de 12,44min teremos a esquerda m=0,35 x 12,44 = 4,35min e n=0,65x
12,44= 8,09min.
Para W75% de 6,48min o valor a esquerda m=0,45x6,48= 2,90min e a direita n=0,55 x
6,48= 3,56min.
Para construir o hidrograma unitario precisamos de sete pontos.
Ponto
1
2
3
4
5
6
7
Tabela 85.2- Sete pontos para fazer o hidrograma unitário
Abscissa
Ordenada
0
0
Ta -0,35 W50= 9,05-4,35=
0,5 Qp=0,5 x 10,16= 5,08
4,7 min
Ta – 0,45 W75= 9,05 0,75 Qp= 0,75 x10,16= 7,62
2,90=6,15 min
Ta=Tp+ D/2 = 9,05 min
Qp= 10,16 m3/s/cm
Ta + 0,55 W75=9,05+3,56=
0,75 Qp= 0,75 x 10,16= 7,62
12,61 min
Ta + 0,65 W50=9,05+8,09=
0,5 Qp=0,5 x 10,16= 5,08
17,14 min
53,6
0
Estimativa do tempo base tb
O volume do hidrograma unitário é V=9800m3 para chuva excedente de 1cm.
V= A (km2) x 1cm= 0,98 km2 x 106 x 1 x 0,01 = 9800m3
Estimando hidrograma unitario triangular?
(Qp x tb x 60 /2) x 0,01 = 9800
Qp= 10,16 m3/s
tb= 2V/(Qp x 60 x 0,01) = 2 x 9800/ (10,16 x 60 x 0,01) = 3,215 s= 53,6 min
tb= 53,6 min aproximadamente
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Exercício 85.4- Calcular a vazão de pico usando o Método de Denver para área de drenagem
de 17,2km2, 9,7km de comprimento do talvegue, 4,85km comprimento até o centro de
gravidade, declividade média de 0,47% (0,0047m/m), área impermeável de 50%, número da
curva CN=85. (Pallos, bacia do córrego Rincão).
Tabela 85.1- Coeficientes da função da área impermeavel
Area
impermeavel
a
b
c
d
e
(%) p
p≤ 10
0,0
-0,00371
0,163
0,00245
-0,012
10 ≤p≤ 40
0,000023
-0,00224
0,146
0,00245
-0,012
0,0000033
-0,000801
0,120
-0,00091
0,228
p≥40
Fonte: Nicklow et al, 2006
f
2,16
2,16
-2,06
Podemos calcular também o valor de Ct:
Ct= a.p2 + bp + c
Ct= 0,0000033x502 -0,000801x50 + 0,12 =0,0882
Tempo de retardo (tp)
tp= 0,637 . Ct [ L. Lcg / S 0,5] 0,48
tp= 0,637 . 0,0882 [ 9,7 x 4,85 / 0,0047 0,5] 0,48
tp= 1,24h
Duração da chuva unitária
D= tp/3= 1,24/3=0,4h=25min. Adoto D=10min
Fator de Pico P
P= d.p2 + e.p + f
P= -0,00091x502 + 0,228x 50 -2,06= 7,07
Determinação de Cp
Cp = 0,867 . P . Ct . A 0,15
Cp = 0,867 . 7,07 . 0,0882 . 17,2 0,15
Cp= 0,79
Vazão de pico do hidrograma unitário
qp= 2,75 . Cp / tp = 2,75 . 0,79 /1,24=1,75 m3/s x km2
Qp= qp . A = 1,75 . 17, 2=30m3/s
ta= tp + D/2 = 1,24 x 60 + 10/2 = 79, 68 min
Para determinação do gráfico do hidrograma unitário temos que calcular os valores
de W50% e W75% que estão na Tabela (85.1).
Todos os valores encontrados na Tabela (85.2) e calculados estão na Tabela (85.3)
onde podemos observar que os tempos não estão de 10 em 10min. Ai está o truque do
hidrograma unitário. Os intervalos devem ser de 10 em 10min que foi calculado
anteriormente. As chuvas excedentes em centímetros também deverão ser coerentes, isto é,
estar de 10 em 10min.
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Tabela 85.3- Valores de W50% e W75% para o gráfico
Determinação de W50% e W75%
Tempo
(min)
73,87
25,85
48,01
38,48
17,32
21,16
W50%= (2,15/ qp)*60
m=0,35 x W50%
n=0,65 x W50%
W75%= (1,12/qp)*60
m=0,45 x W75%
n=0,55 * W75%
Volume do hidrograma unitário
O volume em m3 do hidrograma unitário para uma chuva excedente de 1cm e’:
V= A (km2) x 1cm
Exemplo 85.5- Calcular o volume do hidrograma unitário com chuva excedente padrão de
1cm, sendo a área da bacia de 17,2km2.
V= A (km2) x 1cm= 17,2 x 106 x 1 x 10 –2 = 172.000m3
É com o volume de 172.000m3 que se calcula por aproximação o tempo base de 253,8
min sendo razoável um erro de 5%.
Tabela 85.4- Valores encontrados do tempo de m3/s x km2
Tempo
(minutos)
0,00
53,83
62,37
79,68
100,85
127,70
253,8
m3/sxkm2
0
15,0
22,5
30,0
22,5
15,0
0
50% de Q
75% de Q
75% de Q
50% de Q
Convolução:
Para a chuva excedente foi usado o número da curva CN=85 obtemos chuva excedente
total de 7,12cm.
Foi usado o hietograma de Huff 1º quartil com 50% de probabilidade e fórmula de
Martinez e Magni,1999 para Tr=50anos.
Para a Tabela (85.3) temos que colocar os tempos de 10 em 10min temos que fazer
isto graficamente obtendo os valores da coluna 2 ou usar interpolação linear por exemplo.
Na Tabela (85.3) os valores calculados para a convolação são procedidos da seguinte
maneira:
O valor 0,54m3/s foi obtido multiplicando 2,70m3/s.cm x 0,19cm.
O valor 1,07m3/s foi obtido multiplicando 5,58m3/s.cm x 0,19cm e assim por diante.
A última coluna é a soma das colunas. O valor maior é 190,6m3/s que é a vazão
máxima obtida do pico de enchente que deverá ser somada a vazão base.
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Tabela 85.5- Hidrograma da cheia pelo Método de Denver para a bacia com 17,2km2,
chuva de 2h em intervalos de 10min.
10
0,19
tempo
(min)
0
Hidrograma
unitário
(m3/s )
0,00
0,00
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
2,79
5,58
8,37
11,16
13,95
20,45
25,84
29,92
26,38
22,83
19,97
17,17
14,74
13,55
12,36
11,17
9,98
8,79
7,60
6,41
5,22
4,03
2,84
1,64
0,45
0,00
0,54
1,07
1,61
2,15
2,68
3,93
4,97
5,76
5,07
4,39
3,84
3,30
2,84
2,61
2,38
2,15
1,92
1,69
1,46
1,23
1,00
0,77
0,55
0,32
0,09
0,00
20
1,79
4,99
9,98
14,97
19,96
24,96
36,58
46,22
53,53
47,18
40,84
35,72
30,72
26,37
24,24
22,11
19,98
17,85
15,72
13,59
11,46
9,33
7,20
5,07
2,94
0,81
30
1,72
4,80
9,59
14,39
19,19
23,98
35,15
44,42
51,45
45,35
39,25
34,33
29,52
25,35
23,30
21,25
19,21
17,16
15,11
13,06
11,02
8,97
6,92
4,87
2,83
40
1,01
50
0,63
2,81
5,62
8,43
11,24
14,05
20,59
26,02
30,14
26,56
22,99
20,11
17,29
14,85
13,65
12,45
11,25
10,05
8,85
7,65
6,45
5,25
4,05
2,86
3,50
5,25
6,99
8,74
12,82
16,19
18,75
16,53
14,31
12,51
10,76
9,24
8,49
7,75
7,00
6,26
5,51
4,76
4,02
3,27
2,52
1,78
85-16
60
0,47
3,95
5,27
6,58
9,65
12,19
14,12
12,44
10,77
9,42
8,10
6,96
6,39
5,83
5,27
4,71
4,15
3,59
3,02
2,46
1,90
1,34
70 80 90 100 110 120 soma
0,41 0,25 0,22 0,22 0,14 0,07 7,12cm
(m3/s)
0,00
4,60
5,74
8,42
10,64
12,32
10,86
9,40
8,22
7,07
6,07
5,58
5,09
4,60
4,11
3,62
3,13
2,64
2,15
1,66
1,17
3,51
5,14
6,50
7,53
6,64
5,74
5,02
4,32
3,71
3,41
3,11
2,81
2,51
2,21
1,91
1,61
1,31
1,01
0,71
4,42
5,59
6,47
5,70
4,93
4,32
3,71
3,19
2,93
2,67
2,41
2,16
1,90
1,64
1,39
1,13
0,87
0,61
5,60
6,48
5,71
4,94
4,33
3,72
3,19
2,94
2,68
2,42
2,16
1,90
1,65
1,39
1,13
0,87
0,61
4,33
3,82
3,30
2,89
2,48
2,13
1,96
1,79
1,62
1,44
1,27
1,10
0,93
0,75
0,58
0,41
1,91
1,65
1,45
1,24
1,07
0,98
0,89
0,81
0,72
0,64
0,55
0,46
0,38
0,29
0,21
0,54
6,06
16,39
29,52
46,16
65,70
93,63
125,76
164,06
185,75
190,16
168,44
145,92
126,77
110,67
97,97
89,49
81,02
72,54
64,06
55,58
47,10
38,62
30,15
21,67
13,33
Cálculos hidrológicos e hidráulicos para obras municipais
Capitulo 85- Método de Denver ou CUHP
Eng Plínio Tomaz 13/01/2014
[email protected]
85.5 Bibliografia e livros consultados
-ANDRADE, ALCEU GOMES FILHO et al. Hidrogramas de enchentes através dos
métodos Colorado Urban Hydrograph procedure e Muskingum-Cunge- Estudo da bacia do
Arroio Olarias em Ponta Grossa. Universidade Estadual de Ponta Grossa, Departamento de
Engenharia Civil, 2001, 10 páginas.
-COLORADO URBAN HYDROGRAPH PROCEDURE EXCEL-BASED
COMPUTER PROGRAM (cuhp2005), março de 2008; Urban Drainage and Flood Control
District, Denver, Colorado.
-CUHP2005. User Manual, março de 2008.
-DAEE. Drenagem Urbana- manual de projeto. São Paulo, agosto 1980, 2ª edição
corrigida, 468 páginas.
-DANKENBRING, SHAWN C. et al. Catchment discretization in the Colorado
Urbana Hydrograph Procedure: a case study in de East Oll Gate Creek Watershed,
Arapohoe County, Colorado. Dia 5 de outubro de 2009. University of Colorado Denver,
Departament of Civil Engineering. 11 páginas.
-NICKLOW/BOULOS/MULETA. Comprehensive urban hydrologic modeling
handbook for engineers and planners. 376 paginas, ISBN 0-97455689-6-1. Chapter fiveSurface runoiff. 2006
-TUCCI. CARLOS E;M, PORTO, RUBEM LA LAINA PORTO , BARROS, MARIO
T. DE. Drenagem urbana. ABRH, 1ª ed, 1995, Porto Alegre, ISBN 85-7025-364-8 com 428
páginas.
85-17
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Capítulo 85 Método de Denver ou CUHP